nghiên cứu chế tạo bộ đo Moomen xoắn dùng cảm biến dạng kết hợp trục xoắn

báo cáo nghiên cứu chế tạo bộ đo Moomen xoắn dùng cảm biến dạng kết hợp trục xoắn

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐO MÔMEN XOẮN DÙNG

CẢM BIẾN BIẾN DẠNG KẾT HỢP VỚI TRỤC XOẮN

RESEARCH ON MANUFACTURING THE TORQUE MEASURE

BY USING STRAIN GAGE COMBINE WITH HELIX AXIS

SVTH: Lê Duy Hưng, Huỳnh Xuân Bình

Lớp 08C4LT, Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa

GVHD: PGS TS Trần Thanh Hải Tùng

Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa

Báo cáo đề cập đến phương pháp dùng cảm biến lực gắn trên trục xoắn để đo mô men xoắn, thông số quan trọng dùng để tính toán công suất truyền trên trục Kết quả nghiên cứu cho phép ứng dụng trên băng thử đo công suất xe gắn máy Nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật thu nhận tín hiệu không dây để nhận kết quả trên trục xoắn

ABSTRACT

The report refers to method of using force sensors mounted on the twist shaft to measure torque, important parameters used to calculate transmission capacity on the axis Research result allows application on tape test to measure capacity motorcycles The research is used technique receiving wireless signals to get results on the torsion axis

1 Đặt vấn đề

Nghiên cứu nhằm tăng tính kinh tế nhiên liệu, giảm ô nhiễm cho các loại động cơ đốt trong hiên nay đang được các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới quan tâm nghiên cứu Ở Việt Nam, xe máy là loại phương tiện giao thông khá phổ biến, đây chính là nguồn ô nhiễm lớn ảnh hưởng nhiều đến môi trường không khí Để đánh giá tính năng của động cơ xe máy cần phải xác định được công suất bằng cách đưa động cơ lên băng thử động cơ hoặc đưa xe máy lên băng thử công suất xe máy

Tuy nhiên để trang bị một băng thử như thế cho các phòng thí nghiệm đòi hỏi một nguồn đầu tư lớn Với mong muốn chế tạo một băng thử có thể đo được công suất nhằm so sánh công suất của các loại xe gắn máy khác nhau với giá thành có thể chấp nhận được, nhóm sinh viên đã nghiên cứu bộ đo mô men xoắn trục xoắn

2 Phân tích chọn phương án thiết kế

2.1 Chọn phương án đo mô men

Theo lý thuyết thông thường công suất được xác định qua biểu thức sau:

Ne = Me = Me

30

.n

Trong đó:

Me - Mômen của động cơ [N.m]

- Tốc độ góc của trục khuỷu [rad/s]

n - Tốc độ của trục khuỷu [vg/ph]

Mômen động cơ:

TD

t e

M

Trong đó:

Mt - Mômen tải (mômen phanh); [N.m]

ηTD - Hiệu suất truyền động

Như vậy để xâc định công suất của

động cơ đốt trong ta cần xâc định mô men

phanh Mt Để xâc định Mt ta có hai phương

phâp sau:

* Dùng phanh thử công suất có cơ cấu

cđn bằng

Nguyín lý hoạt động của phanh thử

năy dựa văo mômen ma sât tạo ra trong phanh

Thông qua cânh tay đòn, lực kế chỉ thị ta xâc định được mômen phanh:

Mômen phanh:

Trong đó:

L - Chiều dăi cânh tay đòn [m]

P - Lực đọc được trín lực kế [N]

* Đo mô men phanh bằng mômen

kế

Ta cũng dùng cơ cấu phanh để tiíu

thụ công suất động cơ nhưng trín cơ cấu

phanh không có cơ cấu cđn bằng

Mômen kế gồm: một cảm biến được lắp ngay trín trục truyền động giữa động cơ vă

bộ phận cản vă một cơ cấu truyền tín hiệu ra dụng cụ ghi cố định

Nhận xĩt:

Nếu xâc định mômen theo phương ân thứ nhất cần phải có phanh thử với rotor của phanh nối với trục vă quay tự do trín hai ổ đỡ gắn trín Stato, Stato có thể chuyể

hỏi chế tạo chính xâc cao

Theo phương ân thứ hai dụng cụ đo dựa trín cơ sở việc đo biến dạng của trục đo nối giữa băng thử vă trục động cơ Dưới tâc dụng của mômen xoắn truyền từ trục động cơ qua trục đo đến cơ cấu phanh lăm trục đo biến dạng Sự biến dạng năy tỷ lệ với mô men Cho nín, việc xâc định được biến dạng của trục đo cũng chính lă xâc định mômen của động cơ Trong trường hợp năy phanh thử có thể lă một mây phât điện thông thường Khi chọn

ĐỘNG CƠ

KHỚP NỐI TRỤC ĐO PHANH

Hình 2 Sơ đồ phanh thử không có cơ cấu cđn bằng

F

ĐỘNG CƠ

KHỚP NỐI

PHANH

Hình 1 Sơ đồ phanh thử có cơ cấu cđn bằng

xoắn nhận được thông qua kết quả đo biến dạng trên trục Do đó sử dụng phương án này giảm được chi phí chế tạo hơn, đây cũng là lựa chọn hướng nghiên cứu của chúng em

2.2 Chọn phương án thu nhận kết quả đo

Việc nhận tín hiệu điện từ một trục quay thông thường người ta sử dụng cổ góp, tuy nhiên do tốc độ trục quay khá cao nên phương án này không đảm bảo độ chính xác Yêu cầu đối với băng thử đặt ra là cần phải thu nhận đồng thời và xử lý hai tín hiệu đo (tín hiệu tốc độ trục và một tín hiệu về mô men)

Với yêu cầu như trên ta sử dụng hai vi điều khiển loại 18LF14K50 và 16F877A Trong đó vi xử lý 18FL14K50 được dùng trong bộ thu phát không dây để truyền tín hiệu của cảm biến điện trở lực căng Vi xử lý 16F877A có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ encoder (tốc độ trục) và từ bộ phát không dây (mô men xoắn) thông qua bộ thu không dây, tính toán và xử lý kết quả đưa lên máy tính qua cổng COM theo chuẩn giao tiếp RS232 Các vi điều khiển được lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ C Để xuất kết quả trên máy tính sử dụng phần mềm Visual Basic

3 Thiết kế chế tạo trục xoắn

3.1 Các tính toán cơ bản

* Chọn vật liệu:

Trục xoắn sử dụng là loại trục xoắn của hệ thống treo trước của xe TOYOTA HIACE loại 16 chỗ ngồi đây là loại vật liệu đàn hồi có giới hạn đàn hồi cao

Trên cơ sở phục vụ cho băng thử công suất động cơ xe máy có tốc độ lớn nhất của rulô nlmax=3578 [Vg/ph] và tốc độ nhỏ nhất của rulô nlmin=447,6 [Vg/ph]

Xe KAWASAKI AR 125A1 dự kiến thử có công suất động cơ là Nemax = 9,0 [KW]

và theo [1] chọn hiệu suất qua các bộ truyền là: bộ truyền ly hợp Lh = 0,88; cặp bánh răng br= 0,98; truyền động xích x = 0,93; ổ bi bi= 0,995; ma sát ms = 0,96

Ta xác định được mômen lớn nhất trên trục Mmax = 104,4 [N.m]

* Tính sơ bộ trục:

Theo [1] Để xác định đường kính sơ bộ của trục ta chỉ xét đến tác dụng của của mômen xoắn trên trục

d 3 max 3

2 , 0 129

104400 2

, 0

M

= 14,7 [mm], chọn d = 15 [mm]

Trong đó:

Mmax- Mô men xoắn lớn nhất tác dụng lên trục, Mmax= 104400 [N.mm]

d- Đường kính trục, [mm]

* Tính góc xoắn giới hạn trên trục:

Theo [1] đối với trục có đường kính không đổi, biến dạng xoắn (góc xoắn) xác định theo công thức (3)

0

57

j G

L

Trong đó:

- Góc xoắn trục;

G - Môđuyn đàn hồi trượt, G = 0,78.105 N/mm2;

J0 - Mô men quán tính độc cực, đối với tiết diện tròn đường kính d ta có:

32

15 14 , 3 32

0

d

Do đó:

5 7,68 58

, 4967 10 78 , 0

500 104400

57

Ngoài các tính toán trên, chúng em đã thực hiện kiểm tra bền mỏi của trục, các kết quả tính toán đều thỏa mãn yêu cầu làm việc

3.2 Kết cấu trục xoắn

4 Thiết kế chế tạo mạch đo

4.1 Đặc điểm mạch đo

4.1.1 Giới thiệu về cảm biến biến dạng

Hệ thống này sử dụng nguyên lý mạch cầu Wheatstone để đo mômen xoắn Khác với các hệ thống cũ sử dụng cảm biến quang để đo góc xoắn

Mạch cầu Wheatstone bao gồm 4 điện trở

biến dạng (tenzo hoặc strain gage) được mắc như

hình 4:

Tại thời điểm không chịu lực xoắn, 4 điện trở

có giá trị bằng nhau Do đó, V0 = 0

Khi 1 trong các điện trở bị biến dạng, giá trị

của nó thay đổi Khi đó giá trị V0≠0 Ta lợi dụng đặc

điểm này của mạch cầu Wheatstone để tiến hành đo

momen xoắn

Trên trục chịu xoắn, ta tiến hành dán 4 tenzo

như hình 5:

0,050

412

40 20 492

C

C

4 Ø16

C - C

Hình 3 Kết cấu trục xoắn

Hình 4 Mạch cầu

R4 chịu nén Do đĩ, giá trị điện trở

R1, R3 tăng lên cịn R2 và R4 thì

giảm xuống Khi đĩ sẽ sinh ra 1 giá

trị điện áp V0 tỉ lệ thuận với momen

xoắn Mạch đo tiến hành đọc giá trị

này, thơng qua 1 bộ khuếch đại sử

dụng LM358, tín hiệu được truyền về

vi điều khiển để xử lý (hình 6)

4.1.2 Bộ thu phát khơng dây

Với bộ thu phát khơng dây ta cĩ thể thu nhận tín hiệu trong khoảng cách 100 m Trên trục xoắn ta gắn bộ phát và trên mạch chính ta gắn bộ thu

để nhận tín hiệu và tính tốn gửi lên máy tính Sử

dụng bộ thu phát sĩng khơng dây ta cĩ thể truyền

nhận tín hiệu được xa hơn mà khơng bị hạn chế do

dây dẫn Mặt khác ta cĩ thể giải quyết được vấn đề

nhận tín hiệu từ cảm biến gắn trên trục trong khi trục

vẫn quay Cịn với mudule thu phát này ta cĩ thể mua

trên thị trường cĩ sẵn mà khơng cần phải thiết kế Sau

khi tính tốn ta gửi về máy tính thơng qua cổng COM

Sử dụng cơ cấu địn để hiệu chỉnh và xây dựng

đặc tính của trục, kết quả cho thấy quan hệ giữa

mơ men và biến dạng là tuyến tính

đưa

4.2 Sơ đồ khối chương trình điều khiển

MÁY TÍNH

DỮ LIỆU CHUYỂN ĐỔI RS232

16F877A

TÍN HIỆU TỪ ENCODER

ENCODER ĐỂ ĐO SỐ VÒNG QUAY

18LF14K50

DỮ LIỆU BỘ PHÁT

TENZO

DỮ LIỆU

CẢM BIẾN BIẾN DẠNG KẾT HỢP VỚI TRỤC XOẮN

Hình 9 Sơ đồ khối chương trình điều khiển

Hình 6 Khối khuếch đại dùng LM358

Hình 7 Module thu phát

C12

10uF

+

C14 10uF

+

C15 10uF

VCC

U2

MAX232

C1+

1 C1-3 C2+

4 C2-5

R1OUT 12

T1IN 11

VCC

RXD TXD

P1

CONNECTOR DB9 5 4 3 2 1

C13 10uF

C16 10uF

Hình 8 Giao tiếp máy tính qua cổng COM

5 Kết luận

Sử dụng bộ đo mômen xoắn dùng cảm biến biến dạng kết hợp với trục xoắn ta có thể ứng dụng trong thiết kế băng thử công suất xe máy

Với việc sử dụng vi điều khiển 16F877A cho phép xử lý đồng thời các tín hiệu

cần thiết của việc

Bộ đo mômen xoắn dùng cảm biến biến dạng kết hợp với trục xoắn được thiết kế

và chế tạo hoàn toàn có thể thực hiện với các linh kiện điện tử có sẵn trên thị trường và chế tạo phần cơ khí khá đơn giản phù hợp với điều kiện Việt Nam B

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm (1999), Thiết kế chi tiết máy, Nhà xuất bản

Giáo Dục

[2] Ngô Diên Tập (2002), Lập trình ghép nối máy tính trong Windows, Nhà xuất bản

Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội

[4] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng

(1998), Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội